Лекции по информатике

Лекции по информатике

Определения: Информатика — наука, изучающая законы и методы накопления и переработки… Информатика — родовое понятие, охватывающее все виды человеческой деятельности, связанные с применением ЭВМ.

Представление информации

В электронно-вычислительной аппаратуре

Количественные оценки величины информации основаны на том, что данные, предназначенные для обработки хранения и восприятия, не известны заранее с… Информация в технических средствах передается с помощью сообщений кодируются с… В большинстве реальных процессов сигналы являются функцией времени, то есть являются аналоговыми сигналами.

Некоторые сведения об арифметических операциях

Над двоичными числами

Как правило, над двоичными числами выполняются две операции — сложение и умножение.

 

0 +0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 =10

 

Прямой, обратный и дополнительный коды

Для выполнения арифметических операций применяются специальные коды, что особенно необходимо при сложении и вычитании чисел, имеющих разные знаки. Для обозначения знака двоичного числа используются дополнительный разряд или число, кодирующиеся либо «−», либо «+». Как правило, 0 — это «+» и 1 — «−». Обратный код представляет собой двоичное число, дополняющее число, записанное в прямом коде, до его максимального значения.

1010 — прямой код

0101 — обратный код (нужен, напр., для вычитания)

 

Форма представления чисел

С фиксированной и плавающей точкой

Для представления информации в ЭВМ есть две формы: с фиксированной и плавающей точкой. Запись с плавающей точкой используется в больших массивах чисел и с числами, имеющими большое число позиций.

5 ∙ 10⁶ = 5 000 000

Запись с фиксированной точкой используется в небольших электронно-вычислительных устройствах: при измерении информации с помощью датчиков, работе в реальном масштабе времени.

 

Способы физического представления двоичных чисел

Для передачи двоичных чисел по реальным физическим каналам используются 3 основных способа:

1. Последовательный (информация перелается по битам). Применяется для больших расстояний (больше 50 м) и является самым медленным. Все компьютерные сети с последовательной передачей цифр.

2. Последовательно-параллельный. Информация передается параллельно по битам и последовательно по байтам. Передаются 8 разрядов и знак.

3. Параллельный. Расстояние до 1 метра. Используется внутри компьютера.

 

Коды, используемые для передачи двоичных сообщений

Униполярный код — такой, у которого 0 и 1 передаются сигналами одной полярности.  

Понятие об архитектуре компьютера

Архитектура — это организация процесса хранения и обработки информации и условие совместного функционирования аппаратных и программных средств.…  

Функции устройств

 

АЛУ осуществляет арифметические и логические операции над вводимыми в него машинными словами.

УУ автоматически, без участия человека, управляет вычислительными процессами, посылая всем другим устройствам сигналы, предполагающие те или иные действия.

ОП — внутренняя память вычислительного устройства, к которой постоянно обращается процессор для получения команд и данных.

ПЗУ позволяет прочитать только то, что в ней записано.

Внешняя память — магнитные ленты, диски и т.д.

 

Основные параметры вычислительных устройств

 

1. Общий коэффициент производительности — отношение производительности к сумме двух слагаемых: стоимости вычислительного устройства и стоимости эксплуатации.

2. Производительность, вычисляемая по формуле:

 

 

К_s — вес (сложность) какой-либо команды.

T_s — время выполнения команды.

 

3. Быстродействие — время, затраченное на выполнение какой-либо операции.

 

Время передачи из регистра в регистр — простейшая операция, относительно которой измеряется быстродействие.

 

 

Частотные характеристики

1. Число разрядов в машинном слое.

2. Скорость выполнения основных видов команд.

3. Емкость оперативной памяти.

4. Скорость обмена между ядром и периферией.

5. Тактовая частота кварцевого генератора.

 

Исторические аспекты

Идея программного выполнения арифметических действий родилась в 1833 году у Ч. Бэббиджа. Впервые идея реализована в 1942 году в США и Германии на электромагнитных реле. Дальнейшее развитие — в 1945 году две модели реализации.

Гарвардская модель — предполагалось использовать для команд и данных два отдельных компьютера и два раздела в оперативной памяти.

Фон Шейнен — данные и команды передаются по общей шине.

 

Элементная база и простота общения машины и человека

 

Элементная база:

Машины для сложных научных экспериментов.

2-я половина 60-х годов — полупроводниковые диоды и транзисторы.

ПВМ 360 — интегрированные схемы низкого уровня интеграции.

Интегрированные схемы высокого уровня интеграции.

 

Основные направления технического развития

Средств вычислительной техники

 

Сверхпроизводительные ЭВМ, в которых быстродействие увеличивалось за счет создания мультипроцессорных систем.

Персональные ЭВМ.

Микро-ЭВМ — микропроцессоры.

 

Логические элементы электронно-вычислительной аппаратуры

 

Любая операция в компьютере в своей основе определяется реакцией на воздействие двух цифр — 0 и 1.

Если логические состояния на входе логической системы и на ее выходе однозначно связаны, то она называется комбинационной схемой.

Если состояние логической схемы может меняться, и внутри нее заложено некоторое запоминающее устройство, позволяющее изменять при необходимости (программировать) реакцию выхода, то такая схема называется цифровым автоматом.

 

Комбинационная схема

 

Задается функцией y = f(x), где y — отклик, а х — комбинации воздействия.

Первый способ задания функции — с помощью таблиц истины.

 

x1	x2	xn	y

 

Основные операции — логического сложения, умножения, инверсии (AND, OR, NOT).

 

 

 

Основные операции булевой алгебры

 

Булева функция представляет собой зависимость y = f(x₁ … x_n), где x = [0; 1], y = [0; 1]

1. Логическое сложение (OR).

Обозначение:

Таблица истинности:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 1

 

Схема на диодах:

 

2. Конъюнкция, логическое умножение.

 

Таблица истинности:

0 • 0 = 1

1 • 0 = 0

0 • 1 = 0

1 • 1 = 0

 

3. Инверсия (NOT).

 

Некоторые правила булевой алгебры

 

 

Принцип сложения с 0 и 1

X + 0 = X

X + 1 = X

X +X = X

Умножение переменной на 0 и 1

X • 0 = 0

X • X = X

X • 1 = X

Принцип сочетания:

X₁ + X₂ + X₃ = (X₁ + X₂) + X₃ = X₁ + (X₂ + X₃)

Построение логической комбинационной схемы

По заданной функции

Логических схем И, ИЛИ, НЕ достаточно для построения любых комбинационных схем, и эта комбинация является функционально полной. Однако с точки зрения технологии эта система является избыточной, и, используя правило Де-Моргана, можно построить любую комбинацию схем из однотипных элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Функция И-НЕ — функция Шеффера.

Функция Пирса — ИЛИ-НЕ

 

Построение комбинационно-логической системы

По заданной функции

 

 

Основные функциональные элементы,

Реализуемые в логических схемах

 

Инвертор

 

 

Функция запрета

 

Правило минимизации логических функций

 

Прибавление однотипных членов

Х + Х = Х

2. Умножениеотдельных членов на функцию вида

3. Выделение слагаемых типа

 

Генераторы и триггеры

Основа генератора, как и любой логической системы, используемой в вычислительной технике, является транзисторно-транзисторная логика и… Все генераторы делятся на три типа:

Статический триггер

О — прямой выход

Р — инверсный выход

S — сет (Set), установка

R — Reset

 

Не воспринимает единицу на двух своих входах.

 

S = 1	Q = 1	P = 0
R = 1	Q = 0	P = 1

Основным недостатком таких триггеров является то, что в них возможен эффект состязания. Смысл эффекта в том, что возможен запрос на считывание тогда, когда информация еще не записалась.

Для того, чтобы этого эффекта избежать, используется синхронизация, и дополнительный вход в триггерах — вход синхронизирующий, не позволяющий совершить последующие действия до завершения предыдущей.

Логическая схема RS-триггера

Логическая схема RS-триггеров, которые являются основой для построения, содержат в своей основе логические схемы ИЛИ-НЕ (логическое сложение и инверсию).

Память работает только при выключенном питании.

Для того, чтобы обеспечить режим синхронизации, используются дополнительные элементы, разрешающие переключение триггера только в момент прихода синхросигнала. Для этого перед входом RS-триггера ставятся дополнительные элементы И.

Синхронный RS-триггер

 

Разновидности триггеров

D-триггеры называются триггерами задержки. Они отличаются тем, что информация на входе в n-ном такте соответствует информации, записанной в n−1-ном такте.

JK-триггеры

Особенность их в том, что триггер меняет состояние на выходе при реализации неопределенности типа S = 1, R = 1.

Число импульсов на выходе в два раза меньше, чем на входе.

 

Функциональные узлы

1. Регистры являются основными элементами оперативной памяти и вспомогательных операций над двоичными числами. Основным элементом регистра является… 1. Сброс регистра (обнуление всех ячеек памяти). 2. Запись информации в регистр.

Функциональные узлы вычислительных устройств

 

Память ЭВМ

Память делится на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память входит в ядро процессора и, как правило, является адресной. Основными параметрами,… 1. Емкость памяти — максимальное количество данных, которые могут храниться в… 2. Удельная емкость памяти — отношение емкости памяти к ее физическому размеру.

Периферийные устройства

 

К периферийным устройствам относятся внешняя память (НЖМД, CD-ROM), элемент управления (мышь), клавиатура, дисплей, печатающее устройство, устройство связи.

 

Интерфейс

Системный элемент, который позволяет обмениваться информацией между элементами, входящими в систему. Состоит из: 1. Модуль управления процессом обмена информацией. 2. Шинная система.

Типы протоколов обмена информацией в сетях

 

Протокол — правило, по которому происходит обмен информацией.

Различают протокол установки связи и протокол обмена.

Возможны следующие основные типы протоколов: дуплексные (данные от источника к приемнику передаются в двух направлениях), полудуплексные (данные передаются в любом направлении, но по очереди) и симплексные (данные передаются только в одном направлении).

По способам разделения информационных каналов во времени можно обозначить два способа: синхронный и асинхронный. Синхронная передача отличается большой скоростью, так как передаваемая информация пересылается большими информационными блоками, и отдельные фрагменты выделяются специальными символами. Асинхронная передача подразумевает передачу каждого байта информации, снабженного стартовыми и стоповыми битами.

 

Сведения об организации вычислительных сетей

Сети средств вычислительной техники различаются между собой по двум основным признакам: функциональному назначению (информационные, вычислительные,… УК — узел коммутации.

Некоторые типы интерфейсов

MIL1553 — алгоритм последовательно-параллельного интерфейса. В этом стандарте унифицированы следующие виды сообщений: от контроллера к…  

Форматы слов для организации сообщений

Используются 3 вида слов: командные, информационные, ответные слова. Алгоритм обмена информации в последовательном интерфейсе: 1. Контроллер передает командное слово, обеспечивающее установление связи… 2. Передается от 1 до 16 информационных слов.